面向复杂产品的管路数字化布局设计与仿真技术

发布时间：2020-02-11 12:00

【摘要】：管路在航空、航天、汽车、船舶等领域广泛应用，管路的合理布局及优化是保证复杂机电产品可靠运行的前提。由于在复杂产品的管路系统布局设计阶段需要综合考虑管路的可制造性、稳定性、强度和流阻等一系列跨专业问题，工程中常常因考虑的影响因素复杂，导致如何在缩短管路系统布局设计时间的情况下保障布局设计质量成为工程难题。本文针对如何提高复杂产品中的管路布局设计效率和质量的难题，对复杂产品中管路数字化布局设计及仿真相关理论、方法和实现技术进行了深入研究，从而为提高管路系统的布局设计效率和质量提供基础理论、方法和数字化工具。本文主要的研究工作如下：（1）分析了国内外在管路布局设计、管路系统优化、管路装配与拆卸仿真等相关理论和技术方面的研究进展情况，指出了目前存在的问题与不足。在此基础之上，提出了复杂产品中管路数字化布局设计及仿真技术的总体框架，并给出了该技术的概念、内涵、典型的业务流程以及技术体系。（2）通过分析管路系统零件数字化表达的需求，提出了一种以通径为核心的管路数字化模型表达方法。将功能相似、工作环境和传输介质相同的相互连通的管路系统零件定义为一个管路通径，并以此为核心对管路系统进行数字化表达，改变了传统的以单根导管为核心的表达方法。在此基础之上，分别实现了管路系统零件信息模型、几何模型、碰撞模型以及虚拟实体模型的建立，为管路数字化布局与仿真业务的实现提供统一的数据支持。（3）为了提高管路布局的效率，提出了一种基于改进的快速扩展随机树算法的管路自动布局方法，快速建立了管路系统的无干涉布局方案。在此基础之上采用交互式布局方法对布局结果进行修正，并通过一种基于模拟退火算法的管路自动优化算法对管路布局中的各类工程约束进行针对性的优化，在实现快速布局的同时，保证管路布局的质量。（4）针对管路布局过程中涉及的诸多工程约束，建立了管路系统自动评价体系，实现了对布局结果的综合评价。通过一阶谓词表示法建立了可扩充可定制的管路布局知识库；在此基础之上，引入ASP知识推理机对管路的布局设计结果进行推理求解，并基于管路数字化模型的数据结构设计自动评价算法，计算综合评价结果。将评价结果反馈到管路布局模块中，指导管路布局结果的优化。（5）针对目前管路可装配性和可拆卸性验证困难的问题，研究了管路系统的装配与拆卸仿真技术。采用一种基于层次链的方法对管路装拆过程进行建模，实现了装拆过程信息的储存与管理；通过对管路零件几何特征的分析，对快速扩展随机树算法进行改进，实现了管路零件装拆路径的自动生成；并以此为基础提出了一种基于拆卸约束关系图的管路装拆序列自动生成技术，实现了管路系统零件的装配与拆卸过程仿真。（6）基于以上成果，设计并开发了应用软件的原型系统，并结合中航商飞合作项目中的飞机发动机液压管路系统布局设计，对论文提出的相关理论与方法进行了可行性验证。
【图文】：

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在航空航天等复杂机电产品中，处于工作状态下的管路通常要承受高温高压、高频振动以及管内介质的冲击和脉动等影响。通过对某航天发动机设计单位的调研，总结了其管路布局设计的一般流程如图2-1所示。管路的布局设计通常包含16个环节，涉及到结构、振动、流体等专业，过程十分复杂。据统计数据显示，一台中型发动机的管路布局设计及协调时间长达 4 个月之久，其具体流程如下：第一步：获取设计输入。具体包括布局导管的用途、介质类型、介质流量及流速、介质工作温度、介质密度以及发动机转速等参数值。第二步：计算管路通径。根据设计输入参数的具体数值计算出满足系统功能要求的管路的最小通径值。第三步：选取材料密度。根据设计输入参数中介质的流量及流速等数值计算出导管在工作状态下承受的压力，，根据该压力值并结合对管路自重的要求，计算能满足系统功能要求的导管材料密度区间。第四步：确定接头类型。根据“第二步”计算所得管路通径值，确定用于连接该

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功能要求等，根据这些工程信息建立管路零件核心的管路数字化模型字化建模方法是以单根导管为核心，在导管模型于在实际工程中，很多管路由于互相连通，具备体进行建模更有利于对管路系统进行布局以及综2 和3P 通过三通零件连接起来，这三根导管由于的工作环境也相同，将导管1P ，2P 和3P 以及连一个管路通径。本节主要介绍以通径为核心的管。
【学位授予单位】：北京理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TP391.9;TB472

【参考文献】